雙極膜在電膜分離過程的應(yīng)用研究.pdf

1、雙極膜(BipolarMembrane,簡稱BPM)是一種由陽離子交換層、界面親水層和陰離子交換層復(fù)合而成的新型離子交換膜,其特點(diǎn)是反向加壓時(shí)界面層內(nèi)自動(dòng)發(fā)生水解離,且水解離產(chǎn)物H+和OH-離子分別朝向膜兩側(cè)的主體溶液遷移。雙極膜與電滲析以及填充床電滲析的耦合技術(shù)可以滿足生產(chǎn)、資源再生和廢液處理三同時(shí),目前研究涉及化工、生物、環(huán)保、能源等多個(gè)領(lǐng)域。雙極膜電滲析(BMED)技術(shù)可用于制備有機(jī)酸、脫除無機(jī)鹽、電酸化等,雙極膜填充床電滲析(B

2、MEDI)技術(shù)可用于制備超純水、直接再生離子交換樹脂等。本文分別對BMED與BMEDI技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　 選取發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸(H3Cit)的發(fā)酵液為研究對象,對BMED技術(shù)將發(fā)酵液中的檸檬酸鈉(Na3Cit)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品H3Cit的工藝過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以電膜分離過程和可逆化學(xué)反應(yīng)為切入點(diǎn),探討了電流密度、Na3Cit初始濃度、酸室和堿室結(jié)構(gòu)對過程的回收率、電流效率和單位產(chǎn)酸能耗的影響。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下,H3Cit的

3、回收率達(dá)到了97.15％,并獲得以下研究結(jié)果:第一,升高電流密度會(huì)同時(shí)增加進(jìn)入和遷出酸室的H+離子數(shù)量,因此與cit3-離子形成H3Cit的數(shù)量變化由二者共同決定。第二,H+等陽離子以水合形式穿過陽離子交換膜,導(dǎo)致H3Cit溶液被濃縮,抑制產(chǎn)酸反應(yīng)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)證明,采用在隔室中填充離子交換樹脂降低電阻的方法可以緩解上述不利影響；另外,增加Na3Cit溶液初始濃度會(huì)三倍的增加Na+離子濃度,離子過膜遷移加快了酸室循環(huán)液水分子的流失。第三,在

4、堿室填充樹脂既可避免使用電解質(zhì)溶液又可獲得純堿液回用于上游工藝,無廢水排放；第四,堿室的BPM被陰離子交換膜代替后,雖然節(jié)約了膜成本,但單位產(chǎn)酸能耗升高,酸回收率和電流效率下降。
　　 采用低濃度含Ni2+離子溶液模擬電鍍鎳漂洗廢水作為原水,以消除膜堆內(nèi)部金屬氫氧化物結(jié)垢問題以及同時(shí)濃縮和回收廢水中的Ni2+離子為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),對BMEDI膜堆構(gòu)型及操作條件進(jìn)行了探索。設(shè)計(jì)出一種含有兩個(gè)淡化室、一個(gè)濃水室和陰、陽電極室的膜堆構(gòu)型。通

5、過對比不同工作電流密度下BMEDI實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和參數(shù)的變化,發(fā)現(xiàn)隨著工作電流密度的升高,BPM水解離對樹脂表面水解離的抑制作用逐漸增強(qiáng),并進(jìn)而提出酸化-濃縮-酸化的操作方式徹底解決膜堆內(nèi)部金屬氫氧化物的結(jié)垢問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以含24mg.L-1Ni2+離子的NiSO4溶液為原水,在40mA·cm-2電流密度下濃縮19小時(shí)后,濃縮液中Ni2+離子濃度達(dá)到743mg·L-1,約將原水濃縮近31倍,整個(gè)過程中未從淡水出水中檢測到Ni2+離子的存